Генератор с фазовым сдвигом - это схема генератора, предназначенная для генерации синусоидального сигнала. Он работает с одним активным элементом, таким как BJT или операционный усилитель, настроенным в режиме инвертирующего усилителя.
Схема создает обратную связь от выхода к входу через RC-цепь (резистор / конденсатор), расположенную в цепи лестничного типа. Введение этой обратной связи вызывает положительный «сдвиг» фазы выходного сигнала усилителя на 180 градусов на частоте генератора.
Величина фазового сдвига, создаваемого RC-цепью, зависит от частоты. Более высокие частоты генератора создают больший фазовый сдвиг.
Следующие подробные объяснения помогут нам изучить концепцию более подробно.
в предыдущий пост мы узнали о критических соображениях, необходимых при разработке генератора с фазовым сдвигом на базе операционного усилителя. В этом посте мы продвинемся дальше и узнаем больше о типы генераторов фазового сдвига и как рассчитать задействованные параметры по формулам.
Схема моста Вина
На приведенной ниже схеме показана схема моста Вина.
Здесь мы можем разорвать цикл на положительном входе операционного усилителя и вычислить возвращаемый сигнал, используя следующее уравнение 2:
Когда ⍵ = 2πpf = 1 / RC , обратная связь синфазна (положительная обратная связь), имея усиление 1/3 .
Следовательно, для колебаний необходимо, чтобы схема операционного усилителя имела коэффициент усиления 3.
Когда R F = 2R грамм , коэффициент усиления равен 3, и генерация возникает при f = 1 / 2πRC.
В нашем эксперименте схема генерировала колебания на частоте 1,65 кГц вместо 1,59 кГц, используя значения, указанные на рисунке 3, но с явным искажением.
На следующем рисунке ниже показана схема моста Вина, имеющая нелинейная обратная связь .
Мы видим лампу RL, сопротивление нити которой выбрано очень низким, около 50% от значения сопротивления обратной связи RF, так как ток лампы определяется RF и RL.
Связь между током лампы и сопротивлением лампы, будучи нелинейной, помогает поддерживать колебания выходного напряжения на минимальном уровне.
Вы также можете найти множество схем, включающих диод вместо описанной выше концепции нелинейного элемента обратной связи.
Использование диода помогает снизить уровень искажений, обеспечивая плавный контроль выходного напряжения.
Однако, если вышеуказанные методы вам не подходят, вы должны выбрать методы АРУ, которые точно так же помогают уменьшить искажения.
Обычный генератор на основе моста Вина, использующий схему АРУ, показан на следующем рисунке.
Здесь он производит выборку отрицательной синусоидальной волны с помощью D1, и выборка сохраняется внутри C1.
R1 и R2 рассчитываются таким образом, что он центрирует смещение на Q1, чтобы гарантировать, что (R грамм + R Q1 ) равно R F / 2 с ожидаемым выходным напряжением.
Если выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению, сопротивление Q1 возрастает, что приводит к снижению коэффициента усиления.
В первой схеме генератора с мостом Вина напряжение 0,833 В можно увидеть приложенным к положительному входному контакту операционного усилителя. Это было сделано для того, чтобы централизовать выходное напряжение покоя на VCC / 2 = 2,5 В.
Генератор с фазовым сдвигом (один операционный усилитель)
Генератор с фазовым сдвигом также может быть построен с использованием только одного операционного усилителя, как показано выше.
Принято считать, что в схемах с фазовым сдвигом ступени изолированы и самоуправляются друг от друга. Это дает нам следующее уравнение:
При фазовом сдвиге отдельного участка –60 ° сдвиг фазы контура = –180 °. Это случается когда ⍵ = 2πpf знак равно 1.732 / RC так как касательная 60 ° = 1,73.
Значение β в этот момент оказывается (1/2)3, что означает, что коэффициент усиления A должен быть на уровне 8, чтобы коэффициент усиления системы был на уровне 1.
На этой диаграмме частота колебаний для указанных значений частей оказалась равной 3,76 кГц, а не расчетной частотой колебаний 2,76 кГц.
Более того, коэффициент усиления, необходимый для инициирования колебаний, был измерен как 26, а не в соответствии с расчетным коэффициентом усиления 8.
Подобные неточности в некоторой степени связаны с несовершенством компонентов.
Однако наиболее существенный аспект воздействия связан с ошибочными прогнозами, что стадии RC никогда не влияют друг на друга.
Эта схема с одним операционным усилителем была довольно хорошо известна во времена, когда активные компоненты были громоздкими и дорогими.
В настоящее время операционные усилители экономичны и компактны и доступны с четырьмя номерами в одном корпусе, поэтому генератор с фазовым сдвигом на одном операционном усилителе в конечном итоге потерял свое признание.
Буферизованный генератор с фазовым сдвигом
На приведенном выше рисунке мы видим буферный генератор с фазовым сдвигом, пульсирующий на частоте 2,9 кГц вместо ожидаемой идеальной частоты 2,76 кГц и с коэффициентом усиления 8,33 вместо идеального усиления 8.
Буферы не позволяют RC-частям влиять друг на друга, и поэтому буферизованные генераторы с фазовым сдвигом могут работать ближе к расчетной частоте и усилению.
Резистор RG, отвечающий за настройку усиления, загружает третью RC-секцию, позволяя 4-му операционному усилителю в четырехъядерном операционном усилителе действовать как буфер для этой RC-секции. Благодаря этому уровень эффективности достигает идеального значения.
Мы можем извлечь синусоидальную волну с низким уровнем искажений из любого каскада генератора с фазовым сдвигом, но наиболее естественную синусоидальную волну можно получить на выходе последней RC-секции.
Обычно это слаботочный переход с высоким сопротивлением, поэтому здесь необходимо использовать схему с входным каскадом с высоким сопротивлением, чтобы избежать отклонений нагрузки и частоты в ответ на изменения нагрузки.
Квадратурный генератор
Квадратурный генератор - это еще одна версия генератора с фазовым сдвигом, однако три RC-каскада собраны вместе таким образом, что каждая секция складывает фазовый сдвиг на 90 °.
Выходы названы синусом и косинусом (квадратурой) просто потому, что между выходами операционных усилителей существует фазовый сдвиг 90 °. Коэффициент усиления контура определяется уравнением 4.
С ⍵ = 1 / RC , Уравнение 5 упрощается до 1√ - 180 ° , приводящие к колебаниям на ⍵ = 2πpf = 1 / RC.
Экспериментальная схема генерирует импульс на частоте 1,65 кГц, в отличие от расчетного значения 1,59 кГц, и разница в основном связана с вариациями значения детали.
Осциллятор Буббы
Показанный выше генератор Буббы является еще одним вариантом генератора с фазовым сдвигом, но он обладает преимуществом от корпуса с четырьмя операционными усилителями для получения нескольких отличительных особенностей.
Четыре секции RC требуют фазового сдвига на 45 ° для каждой секции, что означает, что этот генератор имеет выдающийся dΦ / dt для уменьшения отклонений частоты.
Каждая из секций RC генерирует фазовый сдвиг 45 °. То есть, поскольку у нас есть выходы из альтернативных секций, это гарантирует квадратурные выходы с низким сопротивлением.
Всякий раз, когда выходной сигнал извлекается из каждого операционного усилителя, схема генерирует четыре синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе на 45 °. Уравнение цикла можно записать как:
Когда ⍵ = 1 / RCs , приведенные выше уравнения сворачиваются в следующие уравнения 7 и 8.
Коэффициент усиления A должен достигнуть значения 4, чтобы возникла генерация.
Схема анализа колебалась на частоте 1,76 кГц, в отличие от идеальной частоты 1,72 кГц, в то время как коэффициент усиления составлял 4,17 вместо идеального усиления 4.
Из-за пониженного прироста К и операционные усилители с низким током смещения, резистор RG, отвечающий за фиксацию усиления, не загружает последнюю RC-секцию. Это гарантирует наиболее точную выходную частоту генератора.
Синусоидальные волны с чрезвычайно низким уровнем искажений могут быть получены от соединения R и RG.
Когда на всех выходах требуются синусоидальные волны с низким уровнем искажений, коэффициент усиления должен быть равномерно распределен между всеми операционными усилителями.
Неинвертирующий вход операционного усилителя с усилением смещен на 0,5 В для создания выходного напряжения покоя на уровне 2,5 В. Распределение усиления требует смещения других операционных усилителей, но, безусловно, не оказывает никакого влияния на частоту колебаний.
Выводы
В приведенном выше обсуждении мы поняли, что генераторы фазового сдвига ОУ ограничены нижним концом полосы частот.
Это связано с тем, что операционные усилители не имеют необходимой полосы пропускания для реализации низкого фазового сдвига на более высоких частотах.
Применение современных операционных усилителей с обратной связью по току в схемах генераторов выглядит сложным, поскольку они очень чувствительны к емкости обратной связи.
Операционные усилители с обратной связью по напряжению ограничены лишь несколькими 100 кГц, поскольку они создают чрезмерный фазовый сдвиг.
Генератор с мостом Вина работает с использованием небольшого количества деталей, и его стабильность частоты очень приемлема.
Но уменьшить искажение в генераторе с мостом Вина труднее, чем инициировать сам процесс колебаний.
Квадратурный генератор наверняка работает с парой операционных усилителей, но он имеет гораздо более высокие искажения. Однако осцилляторы с фазовым сдвигом, такие как осциллятор Буббы, демонстрируют гораздо меньшие искажения наряду с некоторой приличной стабильностью частоты.
При этом расширенные функциональные возможности этого типа генераторов с фазовым сдвигом обходятся недешево из-за более высокой стоимости деталей, задействованных на различных этапах схемы.
Связанные веб-сайты
www.ti.com/sc/amplifiers
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2471.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2472.html
www.ti.com/sc/docs/products/analog/tlv2474.html
Предыдущий: Осцилляторы ОУ Далее: Схема усилителя мощности от 1000 до 2000 Вт
